(57)【要約】【課題】例えば一般家庭でも設置か可能な規模かつ、低コストとすることができる熱発電及び給湯装置を提供する。【解決手段】熱発電及び給湯装置１の熱発電機５を冷却する放熱循環機構１１が、貯湯槽８に供給される市水に対して予備加熱を行う熱交換器１４を備え、熱発電機５で発生した熱を利用して貯湯槽８に供給される市水を加熱する。【選択図】図１
2013221651.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽熱を集熱する集熱手段と、前記集熱手段が集熱した熱を蓄積する蓄熱手段と、前記蓄熱手段に蓄積された熱により発電する熱発電手段と、前記熱発電手段を冷却する冷却手段と、前記蓄熱手段に蓄積された熱により所望の温度の湯水を生成する給湯手段と、を備えた熱発電及び給湯装置であって、
前記冷却手段が、前記給湯手段に供給される市水に対して予め加熱を行う予備加熱手段を備えていることを特徴とする熱発電及び給湯装置。
【請求項２】
前記冷却手段が、前記予備加熱手段により予め加熱を行うか否かを切り替える切替手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載の熱発電及び給湯装置。
【請求項３】
前記予備加熱手段が、熱交換器で構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱発電及び給湯装置。
【請求項４】
前記集熱手段が、太陽の位置を検出する太陽検出手段と、太陽熱を集熱する集熱体と、前記集熱体に向かって太陽光を反射するアレイ状に並べられた複数の反射板と、を備え、
前記複数の反射板には、前記太陽検出手段が検出した太陽の位置に基づいて前記集熱体に向かって太陽光を反射するように駆動する駆動手段がそれぞれ設けられている
ことを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載の熱発電及び給湯装置。
【請求項５】
前記集熱手段が、太陽熱を集熱する集熱体と、前記集熱体に向かって太陽光を集光するリニアフレネルレンズと、を備えていることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載の熱発電及び給湯装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽熱を利用して発電を行うとともに、その熱を利用して給湯も行うことができる熱発電及び給湯装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自然エネルギーを利用した発電として、太陽光や太陽熱を利用した発電システムが提案されている。
【０００３】
特許文献１には、広範囲に反射鏡を設置してタワー先端の集光部にエネルギーを集め、集光部に集められた熱エネルギーによって反応性の高い化学物質を製造したり、タービンを利用して電気エネルギーを得ることが記載されている。
【０００４】
特許文献２には、太陽光発電や太陽熱発電などの自然エネルギー発電装置に蓄電装置を組み合せた構成が記載されている。特許文献１は、自然エネルギーで得られた電力をバッテリ等の蓄電装置に蓄える構成となっている。
【０００５】
特許文献３には、太陽光と太陽熱を利用したハイブリッド発電システムについて記載されている。特許文献３は、太陽電池パネルと熱発電装置が組み合わされて一の構造体として構成されており、発電された電力を蓄電池に蓄えることができる構成となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−３８３７０号公報
【特許文献２】特開２００７−１２４８４６号公報
【特許文献３】特開２００７−８１０９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載された太陽熱を利用するシステムでは、エネルギー利用効率は高いものの、得られる温度も１０００℃以上の高温であり、また、システム自体も大規模であるために、高コストとなってしまい、一般家庭に設置することは事実上不可能である。
【０００８】
特許文献２、３に記載された自然エネルギー（太陽光、太陽熱）を利用するシステムでは、蓄電池を利用して、自然エネルギーの貯蔵を行っているが、例えば、既存のリチウムイオン電池などではこの種のシステムに十分な容量を持たせようとすると高価となってしまう。また、太陽光、太陽熱発電は昼間のみの発電であるため、深い充放電を繰り返すことに起因するバッテリ負荷が大きいという問題がある。
【０００９】
そこで、本発明は、例えば一般家庭でも設置か可能な規模かつ、低コストとすることができる熱発電及び給湯装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するためになされた請求項１に記載の発明は、太陽熱を集熱する集熱手段と、前記集熱手段が集熱した熱を蓄積する蓄熱手段と、前記蓄熱手段に蓄積された熱により発電する熱発電手段と、前記熱発電手段を冷却する冷却手段と、前記蓄熱手段に蓄積された熱により所望の温度の湯水を生成する給湯手段と、を備えた熱発電及び給湯装置であって、前記冷却手段が、前記給湯手段に供給される市水に対して予備加熱を行う予備加熱手段を備えていることを特徴とする熱発電及び給湯装置である。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記冷却手段が、前記予備加熱手段による予備加熱を行うか否かを切り替える切替手段を備えていることを特徴とするものである。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記予備加熱手段が、熱交換器で構成されていることを特徴とするものである。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載の発明において、前記集熱手段が、太陽の位置を検出する太陽検出手段と、太陽熱を集熱する集熱体と、前記集熱体に向かって太陽光を反射するアレイ状に並べられた複数の反射板と、を備え、前記複数の反射板には、前記太陽検出手段が検出した太陽の位置に基づいて前記集熱体に向かって太陽光を反射するように駆動する駆動手段がそれぞれ設けられていることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載の発明において、前記集熱手段が、太陽熱を集熱する集熱体と、前記集熱体に向かって太陽光を集光するリニアフレネルレンズと、を備えているものである。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に記載の発明によれば、熱発電手段を冷却する冷却手段が、給湯手段に供給される市水に対して予め加熱を行う予備加熱手段を備えているので、熱発電手段で発生した熱を利用して給湯手段に供給される市水を予め加熱することができるため、発電時に発生する廃熱を利用することで、高効率を維持したまま低温運用を実現でき、大規模とならないため、低コストに一般家庭への設置が可能となる。
【００１６】
請求項２に記載の発明によれば、冷却手段が、予備加熱手段を使用するか否かを切り替える切替手段を備えているので、給湯手段が満水時などは予備過熱手段を利用しないで冷却のみを行うようにすることができる。
【００１７】
請求項３に記載の発明によれば、予備加熱手段が、熱交換器で構成されているので、熱発電手段で発生した熱を利用して効率良く市水などを加熱することができる。
【００１８】
請求項４に記載の発明によれば、集熱手段が、太陽の位置を検出する太陽検出手段と、太陽熱を集熱する集熱体と、集熱体に向かって太陽光を反射するアレイ状に並べられた複数の反射板と、を備え、複数の反射板には、太陽検出手段が検出した太陽の位置に基づいて集熱体に向かって太陽光を反射するように駆動する駆動手段がそれぞれ設けられているので、常に太陽の向きに追従して反射板が駆動されて効率的に集熱体に太陽光を集めることができる。
【００１９】
請求項５に記載の発明によれば、集熱手段が、太陽熱を集熱する集熱体と、集熱体に向かって太陽光を集光するリニアフレネルレンズと、を備えているので、リニアフレネルレンズにより、太陽の位置によらず太陽光を効率的に集熱体に集めることができる。また、集熱体に太陽熱を集熱するための駆動機構等が不要となるため、構成が単純となり低コストかつ耐久性に優れた構造を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる熱発電及び給湯装置の構成図である。
【図２】図１に示された太陽熱パネルの斜視図である。
【図３】図２に示された太陽熱パネルの断面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態にかかる太陽熱パネルの斜視図である。
【図５】図４に示された太陽熱パネルの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
（第１実施形態）
次に、本発明の第１の実施形態を図１ないし図３を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施形態にかかる熱発電及び給湯装置の構成図である。
【００２２】
本発明の第１の実施形態にかかる熱発電及び給湯装置１は、図１に示すように、太陽熱パネル２と、熱媒体循環部３と、蓄熱槽４と、熱発電機５と、パワーコンディショナー６と、貯湯槽８と、温調加熱部９と、加熱水管１０と、放熱循環機構１１と、放熱機１２と、放熱ファン１３と、熱交換器１４と、市水供給部１５と、予備加熱水供給部１６と、を備えている。
【００２３】
集熱手段としての太陽熱パネル２は、図２に示すように、集熱体２ａと、マイクロヘリオスタットアレイ２ｂと、を備えている。集熱体２ａは、内部に溶融塩などの高熱でも変質しにくい媒体が封じ込められており、太陽熱を集熱し、熱媒体循環部３への運搬が行われる。なお、媒体は油などの液体や気体でもよい。
【００２４】
マイクロヘリオスタットアレイ２ｂは、図３に示したように複数の反射板であるミラー２ｂ１がアレイ状、つまり、複数行×複数列に並べられており、各ミラー２ｂ１には、ミラー２ｂ１を駆動する駆動手段としての駆動部２ｂ２を備えている。また、太陽熱パネル２は、一般住宅の屋根等に設置可能なサイズに形成されており、ミラー２ｂ１も、勿論太陽熱パネル２に収容可能なサイズとなっている。また、ミラー２ｂ１の数は、太陽熱パネル２のサイズや必要とするエネルギー密度等に応じて適宜決定すればよい。
【００２５】
各ミラー２ｂ１は、太陽熱パネル２の周辺部に設けられた集熱体２ａに向けて太陽光を反射するために姿勢、つまり、太陽に対する角度が制御されるが、その姿勢の制御は、例えば、以下に説明する周知のカレンダー式またはセンサー式或いは双方を組み合せた方式によって行えばよい。
【００２６】
カレンダー式は、ミラー２ｂ１の座標、集熱体の座標、太陽の方向ベクトルからミラー２ｂ１の方向ベクトルを計算し、その方向を向くように姿勢を制御する方法のうち、太陽の方向ベクトルを緯度、経度、時刻から計算によって求める方法である。この計算は太陽熱パネル２内に設けられた図示しないＣＰＵ等によってミラー２ｂ１ごとに独立して行ってもよいし、複数のミラー２ｂ１を一括して行ってもよい。
【００２７】
センサー式は、各ミラー２ｂ１に備え付けられた図示しない反射光センサーによりミラー２ｂ１の姿勢を制御する方法である。なお、反射光センサーはミラー２ｂ１ごとに設けてもよいし、複数のミラー２ｂ１をグループ化してグループごとに設けてもよい。
【００２８】
各ミラー２ｂ１の制御は、ＣＰＵや反射光センサー等の情報を駆動部２ｂ２が受信して集熱体２ａに向かって太陽光を反射するようにミラー２ｂ１を駆動する（ミラー２ｂ１の角度を調整する）ことで行われる。即ち、カレンダー式ではＣＰＵが太陽検出手段に相当し、センサー式では反射光センサーが太陽検出手段に相当する。
【００２９】
熱媒体循環部３は、後述する蓄熱槽４と太陽熱パネル２とを結ぶ配管とポンプ３ａを備えている。熱媒体循環部３は、例えばシリコンオイル等の熱媒体をポンプ３ａにより太陽熱パネル２と蓄熱槽４との間を循環させて、太陽熱パネル２で集めた熱を蓄熱槽４に伝達する。
【００３０】
蓄熱手段としての蓄熱槽４は、熱媒体循環部３によって伝達された熱を蓄積する。蓄積された熱は、必要に応じて後述する熱発電機５に供給する。
【００３１】
熱発電手段としての熱発電機５は、蓄熱槽４から供給された熱を利用して発電する発電機であり、例えば、熱を熱電素子に供給して発電する方式や、熱により発生した蒸気でタービンを回転させて発電する方式等の周知の方式を用いればよい。
【００３２】
パワーコンディショナー６は、熱発電機５で発電された直流電力を交流電力に変換してコンセントなどの負荷７に供給する。
【００３３】
給湯手段としての貯湯槽８は、後述する熱交換器１４で予め加熱された市水を貯めるとともに、後述する温調加熱部９によって貯められている湯水が一定温度に維持するように加熱される。即ち、蓄熱槽４に蓄積された熱により所望の温度の湯水が生成される。
【００３４】
温調加熱部９は、貯湯槽８と蓄熱槽４とを結ぶ配管とポンプ９ａを備えている。温調加熱部９は、例えばシリコンオイル等の熱媒体をポンプ９ａにより蓄熱槽４と貯湯槽８との間を循環させて、蓄熱槽８に蓄積された熱を貯湯槽８に伝達して一定温度を維持するように加熱する。また、温調加熱部９では、貯湯槽８の湯水を蓄熱槽４に循環させて加熱するようにしてもよい。
【００３５】
加熱水管１０は、例えば住宅の浴槽、シャワー、等に加熱水（湯水）を供給するための配管とポンプ１０ａを備えている。
【００３６】
放熱循環機構１１は、熱発電機５での発電時に発生する熱を放熱（冷却）するための冷却水などの放熱用循環媒体を後述する放熱機１２や熱交換器１４を介して循環させるための配管とポンプ１１ａと三方弁１１ｂを備えている。ポンプ１１ａは、放熱用循環媒体を循環させるためのポンプである。
【００３７】
切替手段としての三方弁３ｂは、放熱用循環媒体を放熱機１２と熱交換器１４を介して循環させるか、熱交換器１４のみを介して循環させるかを切り替える弁であり、熱交換器１４を利用して市水を予め加熱する場合は、熱交換器１４のみを介する配管に切り替え、熱交換器を利用しない場合は、放熱用循環媒体を放熱機１２と熱交換器１４を介する配管に切り替える。即ち、三方弁３ｂは、熱交換器１４により予め加熱を行うか否かを切り替える。
【００３８】
放熱機１２は、放熱循環機構１１を循環する放熱用循環媒体の熱を大気中に放熱して冷却する。また、放熱機１２に加えて放熱ファン１３を使用して放熱用循環媒体を冷却してもよい。
【００３９】
予備加熱手段としての熱交換器１４は、放熱循環機構１１を循環する放熱用循環媒体と後述する市水供給部１５から供給される市水との熱交換を行い市水を予め加熱（予備加熱）する。
【００４０】
即ち、放熱循環機構１１と放熱循環機構１１の配管が接続される放熱機１２および熱交換器１４で冷却手段を構成する。
【００４１】
市水供給部１５は、外部から市水を熱発電及び給湯装置１に供給する。なお、市水とは、公営水道から供給される水に限らず井戸水等上述した住宅等で湯水として使用可能な熱発電及び給湯装置１の外部から供給される水を示す。
【００４２】
予備加熱水供給部１６は、熱交換器１４と貯湯槽８を結ぶ配管や弁１６ａを備え、熱交換器１４で予備過熱された市水（予備加熱水）を貯湯槽８に供給する。弁１６ａは、貯湯槽８が満水の際に予備加熱水の供給を停止させる。
【００４３】
上述した構成の熱発電及び給湯装置１は、太陽熱パネル２で集めた熱を蓄熱槽４に蓄積する。蓄熱槽４には例えば１５０℃程度の熱が蓄積され、熱発電機５での発電に用いられる。発電された電力は、パワーコンディショナー６を介して負荷７に電力が供給される。一方、蓄熱槽４に蓄積された熱は、貯湯槽８に貯められている湯水の温調加熱にも用いられる。
【００４４】
熱発電機５では、発電に用いる熱電素子やタービン等に冷却が必要であり、そのための冷却水（放熱用循環媒体）を放熱循環機構１１によって熱発電機５外の冷却装置へ循環させている。上述した構成では、貯湯槽８に湯水が満水になるまでは、熱交換器１４を使用する。つまり、図１で、熱発電機５、三方弁１１ｂ、熱交換器１４、ポンプ１１ａ、熱発電機５の経路で放熱用循環媒体が循環するように三方弁を切り替える。この場合、放熱用循環媒体は熱交換器１４で市水と熱交換がされることで冷却され、市水は熱交換された熱で加熱される。このように、市水は貯湯槽８で加熱される前に予備的に過熱され貯湯槽８に貯められる。
【００４５】
貯湯槽８が満水の場合は、弁１６ａを閉じて予備加熱水を貯湯槽８に貯めないようにするととともに、放熱機１２を利用して放熱（冷却）を行いながら発電を継続する。つまり、図１で、熱発電機５、三方弁１１ｂ、放熱機１２、熱交換器１４、ポンプ１１ａ、熱発電機５の経路で放熱用循環媒体が循環する。この際、熱交換器１４は機能しないようにしてもよいし、放熱機１２の放熱性能が十分でない場合は熱交換器１４によって放熱機１２や放熱ファン１３の補助を行わせてもよい。
【００４６】
そして、貯湯槽８に貯められた湯水は、必要に応じて住宅の浴槽、シャワー、等に給湯される。
【００４７】
本実施形態によれば、熱発電機５を冷却する放熱循環機構１１が、貯湯槽８に供給される市水に対して予備加熱を行う熱交換器１４を備えているので、熱発電機５で発生した熱を利用して貯湯槽８に供給される市水を加熱することができるため、発電時に発生する廃熱を利用した所謂コージェネレーション構成により高効率を維持したまま低温運用を実現でき、大規模とならないため、低コストに一般家庭への設置が可能となる。
【００４８】
また、市水に対して予備加熱を行うので、温調加熱部９による加熱に要するエネルギーを低減することができ、蓄熱槽４に蓄積された、より多くの熱を発電に利用することができる。
【００４９】
また、発電は、蓄積された熱により行うため集熱が可能な日中に限らず夜間も継続して行うことができる。さらに、自家消費状態に応じて発電量を可変することで、よりインフラへの負荷を軽減することができる。
【００５０】
また、放熱循環機構１１が、熱交換器１４を使用するか否かを切り替える三方弁１１ｂを備えているので、貯湯槽８が満水時などは熱交換器１４を利用しないで冷却のみを行うようにすることができる。
【００５１】
また、太陽熱パネル２が、太陽の位置を検出するセンサーと、太陽光からの熱を集熱する集熱体２ａと、集熱体２ａに向かって太陽光を反射するアレイ状に並べられた複数のミラー２ｂ１と、を備え、複数のミラー２ｂ１には、センサーが検出した太陽の位置に基づいて集熱体２ａに向かって太陽光を反射するように駆動する駆動部２ｂ２がそれぞれ設けられているので、常に太陽の向きに追従してミラー２ｂ１が駆動されて効率的に集熱体２ａに太陽光を集めることができる。
【００５２】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態を図４および図５を参照して説明する。なお、前述した第１の実施形態と同一部分には、同一符号を付して説明を省略する。
【００５３】
本実施形態では、太陽熱パネル２の構成が第１の実施形態と異なる。本実施形態の太陽熱パネル２´は、マイクロへリオスタットアレイ２ｂに代えてリニアフレネルレンズ２ｃを備えている。
【００５４】
リニアフレネルレンズ２ｃは、集熱体２ａの前面（太陽光が入射する側）に位置付けられ、太陽光を集熱体２ａに集中させる。リニアフレネルレンズ２ｃは、透明な板にノコギリ歯状の溝が形成されており、凸レンズを平面化した周知のレンズである。
【００５５】
上述した構成の太陽熱パネル２´は、図５に示したように、朝夕と昼間で太陽の揚角が変わっても集熱体２ａに太陽光（太陽熱）を集中させることができる。
【００５６】
本実施形態によれば、太陽熱パネル２´が、太陽光からの熱を集熱する集熱体２ａと、集熱体２ａに向かって太陽光を集光するリニアフレネルレンズ２ｃと、を備えているので、リニアフレネルレンズ２ｃにより、太陽光を効率的に集熱体２ａに集めることができる。また、駆動機構等が不要なため、構成が単純となり低コストかつ耐久性に優れた構造を実現することができる。
【００５７】
なお、上述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施の形態に限定されるものではない。すなわち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【符号の説明】
【００５８】
１            熱発電及び給湯装置
２、２´      太陽熱パネル（集熱手段）
２ａ          集熱体
２ｂ１        ミラー（反射板）
２ｂ２        駆動部（駆動手段）
２ｃ          リニアフレネルレンズ
４            蓄熱槽（蓄熱手段）
５            熱発電機（熱発電手段）
８            貯湯槽（給湯手段）
１１          放熱循環機構（冷却手段）
１１ｂ        三方弁（切替手段）
１２          放熱機（冷却手段）
１４          熱交換器（予備加熱手段）
【図１】
2013221651.tif 000003
【図２】
2013221651.tif 000004
【図３】
2013221651.tif 000005
【図４】
2013221651.tif 000006
【図５】
2013221651.tif 000007